Electromagnetic-Quantum Simulations of Graphene-Based Devices for High-Frequency Applications

This dissertation titled Electromagnetic-Quantum Simulations of Graphene-Based Devices for High-Frequency Application focuses on the investigation and simulation of graphene-based devices for applications in terahertz (THz) frequencies. It presents novel modeling techniques, based on both quantum and electromagnetic simulations, to optimize the performance of graphene diodes, particularly in rectenna design, and to understand the mechanisms beyond THz amplification. The work contributes to two European research projects, GreEnergy and PLASNANO, which aim to develop high-efficiency energy harvesting systems and more powerful THz sources for communication technologies. In modelling geometric diodes, it is important to address coherent quantum transport to accurately obtain the I-V characteristics and the asymmetry of the device. This dissertation presents a Time-Dependent Schrödinger Equation-based method, which simulates ballistic electron transport in graphene as a coherent wave packet. This model considers the wave packet’s initial conditions, including spatial spread and average momentum, allowing detailed insights into wave propagation and energy distribution in graphene diodes. Moreover, it allows a comprehensive analysis of the performance and optimization of the rectenna system and the design of more efficient devices for energy harvesting. Different rectennas have been optimized considering both geometric diode simulation and measurements of manufactured metal insulator graphene diodes, then the coupled behavior has been simulated in the time domain to provide the rectification efficiency. Regarding the application of graphene in terahertz (THz) wave amplification using its plasmonic properties, this dissertation analyzes two key mechanisms: the quantum Čerenkov effect and Bremsstrahlung emission. The quantum Čerenkov effect in graphene is studied for its potential to amplify THz waves through the emission of surface plasmons when electrons move faster than the phase velocity of light in the medium. This mechanism is described theoretically using the Fermi golden rule, demonstrating that a device structure in which graphene is confined between metal plates is suitable for Čerenkov emission. Bremsstrahlung emission relies on the interaction between graphene's charge carriers and the external magnetic bias to achieve THz amplification. Starting from the Dirac equation, a theoretical model is used to provide a detailed analysis and to predict the emission rates which is fundamental to optimize device configurations for enhancing THz wave generation.

Questa dissertazione, intitolata Simulazioni Elettromagnetiche e Quantistiche di Dispositivi Basati su Grafene per Applicazioni in Alta Frequenza, si concentra sullo studio e sulla simulazione di dispositivi basati su grafene per applicazioni al terahertz (THz). La tesi presenta nuove tecniche di modellazione, basate su simulazioni sia quantistiche che elettromagnetiche, per ottimizzare le prestazioni dei diodi al grafene, in particolare per la progettazione di rectenne, e per comprendere i meccanismi che causano l'amplificazione THz. Il lavoro contribuisce a due progetti di ricerca europei, GreEnergy e PLASNANO, che mirano a sviluppare sistemi di energy harvesting ad alta efficienza e sorgenti al THz più potenti per le tecnologie di comunicazione. Nella modellazione dei diodi geometrici, è importante simulare con precisione il trasporto quantistico coerente per ottenere le caratteristiche IV e l'asimmetria dei dispositivi. Questa tesi presenta un metodo basato sull'equazione di Schrödinger tempo-dipendente, che simula il trasporto di elettroni balistici nel grafene come un pacchetto d'onda coerente. Questo modello considera le condizioni iniziali del pacchetto d’onda, inclusa la diffusione spaziale e la quantità di moto media, fornendo informazioni dettagliate sulla propagazione delle onde e sulla distribuzione dell’energia nei diodi al grafene. Inoltre, consente un'analisi completa delle prestazioni e dell'ottimizzazione del sistema rectenna e la progettazione di dispositivi più efficienti per il recupero di energia elettromagnetica. Diverse rectenne sono state ottimizzate accoppiando sia le simulazioni dei diodi geometrici sia le misurazioni dei diodi tunnel MIG (metal insulator graphene) fabbricati con la simulazione dell’antenna. Il loro comportamento è stato simulato nel dominio del tempo per fornire l'efficienza di rettificazione. Per quanto riguarda l'applicazione del grafene nell'amplificazione delle onde terahertz (THz) utilizzando le sue proprietà plasmoniche, questa tesi analizza due meccanismi chiave: l'effetto Čerenkov quantistico e l'emissione tramite Bremsstrahlung. L'effetto Čerenkov quantistico nel grafene è studiato per il suo potenziale di amplificare le onde THz attraverso l'emissione di plasmoni superficiali quando gli elettroni si muovono più velocemente della velocità di fase della luce nel mezzo. Questo meccanismo è descritto teoricamente utilizzando la regola d'oro di Fermi, dimostrando che un dispositivo in cui il grafene è confinato tra piastre metalliche è adatta per l'emissione Čerenkov. La Bremsstrahlung si basa sull'interazione tra i portatori di carica del grafene e il campo magnetico applicato per ottenere l'amplificazione THz. Partendo dall'equazione di Dirac, si è usato un modello teorico per fornire un'analisi dettagliata del fenomeno e per prevedere il tasso di emissione che è fondamentale per ottimizzare la configurazione del dispositivo e migliorare la generazione di onde elettromagnetiche al THz.